(57)【要約】【課題】  スラストガタやラジアルガタの影響が少ない磁気式角度検出装置を提供する。【解決手段】  角度検出装置は、ケース１２と、ケース１２に対して回動自在に取り付けられたシャフト９と、その回転軸方向に離間してシャフト９に固定された一対の円盤形状のマグネット３，７と、一対のマグネット３，７の間に位置し且つホール素子５を搭載してケース１２に保持された基板６とを備えている。シャフト９が回動するとその角度に応じてホール素子５の出力電圧が変化する。各マグネット３，７は、円盤形状の厚み方向に着磁されており、且つ円盤形状の直径に沿った磁極境界線ＭＤで区分された各半円部分が互いに反対方向に着磁されている。両マグネットは互いに対面する対向面側の磁極が互いに逆になっており、両マグネット３，７の互いに対面しない反対面側にはヨーク板２，８が取り付けられている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケースと、該ケースに対して回動自在に取り付けられたシャフトと、その回転軸方向に離間して該シャフトに固定された一対の円盤形状のマグネットと、該一対のマグネットの間に位置し且つホール素子を搭載して該ケースに保持された基板とを備え、
該シャフトが回動するとその角度に応じて該ホール素子の出力電圧が変化する角度検出装置において、
各マグネットは、円盤形状の厚み方向に着磁されており、且つ円盤形状の直径に沿った磁極境界線で区分された各半円部分が互いに反対方向に着磁されており、
両マグネットは互いに対面する対向面側の磁極が互いに逆になっており、
両マグネットの互いに対面しない反対面側にはヨーク板が取り付けられていることを特徴とする角度検出装置。
【請求項２】
各マグネットは、軸方向矩形波着磁用ヨークと円筒形バックヨークとを用いて着磁されたものであって、該軸方向矩形波着磁用ヨークにマグネットをセットし、そのマグネットの上に該円筒形バックヨークの円筒軸を磁極境界線と直交する方向に配置して着磁することによって、マグネットの磁極境界線付近の磁束密度変化をなだらかにし、マグネットを円周方向に回動させた時の角度に対してマグネット平面の磁束密度が正弦波或いは三角波に近い形状に変化することを特徴とする請求項１記載の角度検出装置。
【請求項３】
前記基板は該円盤形状のマグネットの円周方向に９０度離間して配された二個のホール素子を搭載しており、１２０度を超える範囲で該シャフトが回動する角度を検出することを特徴とする請求項１記載の角度検出装置。
【請求項４】
前記基板は一個のホール素子を搭載しており、１２０度を超えない範囲で該シャフトが回動する角度を検出することを特徴とする請求項１記載の角度検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マグネットとホール素子を用いて被検出物の回動角を検出する角度検出装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ホール素子とマグネットを使用して角度を検出する角度検出装置は従来から様々な構造が提案されており、例えば以下の特許文献１〜特許文献３に記載がある。
【特許文献１】特開平１０−１３２５０６号公報
【特許文献２】特開２０００−１２１３０９号公報
【特許文献３】特開昭６３−１４５９０３号公報
【０００３】
特許文献１は回転角センサを開示している。図１に示す様に、スロットル開度センサ１の回動軸２にはロータ部３が形成され、このロータ部３には円筒状をなす永久磁石６が固定されている。ハウジング７に固定された支持体１０にはホール素子１１が収容され、このホール素子１１は永久磁石６による磁路内において回動軸２に直交する磁界を検出する。又、永久磁石６の内周面にはそのほぼ中央部に環状の凹部１３が形成されている。ホール素子１１は、永久磁石６の軸方向の中心位置に配置される為、凹部１３の位置はホール素子１１による磁界のセンシングの中心位置に合致している。この場合、ホール素子１１に対して磁束が均一化され、永久磁石６とホール素子１１との相対位置が変化したとしてもそれによるセンサ出力の誤差が低減される。しかしながら、この構造では次の欠点が挙げられる。第１に、出力波形が正弦波なので波形の直線部分は角度に換算して９０度程度しか得られない。第２に、ホール素子を９０度間隔で二つ配置することができない為、検出角を３６０度とすることが不可能である。第３に、シャフトを貫通させる構造にできない。第４に、基板平面に対して平行に磁力線が通る為、小型で安価な基板実装タイプの汎用ホール素子を使用することができない。
【０００４】
特許文献２は小型回転角度センサを開示している。図１に示す様に、ホール素子と付属回路とが小型一体化されたハイブリッドホールＩＣ１０３と、ケース本体１００内に回転自在に設けられた回転軸２の上部に形成した側溝３に嵌合されたマグネット１とを備え、ハイブリッドホールＩＣ１０３がマグネット１の側面の露出部に近接対向して垂直に保持され、回転軸２の中心Ｏとマグネット１の中心Ｐとが偏心している。この小型回転角度センサはシャフトを貫通できる構造で、正弦波の近似直線部分を拡大している。しかし、この構造では次の欠点が挙げられる。第１に、磁石と磁気変換素子との間で軸方向や径方向の相対位置が変化すると、出力に影響がある。第２に、基板平面に対して平行に磁力線が通る為、小型で安価な基板実装タイプの汎用ホール素子を使用することができない。
【０００５】
特許文献３は回転ポジショナを開示している。第１図に示す様に、この回転ポジショナは、円環形状の磁性部材１の一部に永久磁石２を備えてなる閉磁路構造体３と、閉磁路構造体３からの漏洩磁束を検知する磁気センサ６とを有し、閉磁路構造体３及び磁気センサ６を閉磁路構造体の中心軸Ｃを中心として互いに回転可能とし、磁気センサの検知出力に基づき回転角を検出する。閉磁路構造体３と同一の中心軸を有する円環形状の他の磁性部材７を、該他の磁性部材７と該閉磁路構造体３とで磁気センサ６を挟み込む様に配置している。しかしながら、この回転ポジショナの形状では、磁束がほとんど磁性部材内に流れ、磁気センサに流れる漏洩磁束は微小で、その漏洩磁束変化も図示された特性グラフの様にはできない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
近年のローコスト化への対応として、軸受部材をベアリングからメタルへ変更する必要がある。しかしながら、メタル軸受を用いると、シャフト（回動軸）のスラストガタ（軸方向ガタ）やラジアルガタ（径方向ガタ）が増えてしまう。又、ローコスト化やスペース効率の改善を狙って、ギヤードモータの出力軸と角度検出器のシャフトを共通化すると、ギヤの遊び分に対応したスラストガタやラジアルガタが必要となる。しかしながら、特許文献２〜特許文献３に開示された様な従来の磁気式角度検出器ではスラストガタやラジアルガタが出力へ影響し、変動や誤差が現われてしまう。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述した従来の技術の課題に鑑み、本発明はスラストガタやラジアルガタの影響が少ない磁気式角度検出器を提供することを目的とする。又、検出角が９０度以上必要な場合もある為、小径でありながら（例えばφ８ｍｍ〜φ３０ｍｍ程度）測定可能な検出角が９０度以上となる磁気式角度検出器を提供することを目的とする。係る目的を達成する為に以下の手段を講じた。即ち、ケースと、該ケースに対して回動自在に取り付けられたシャフトと、その回転軸方向に離間して該シャフトに固定された一対の円盤形状のマグネットと、該一対のマグネットの間に位置し且つホール素子を搭載して該ケースに保持された基板とを備え、該シャフトが回動するとその角度に応じて該ホール素子の出力電圧が変化する角度検出装置において、各マグネットは、円盤形状の厚み方向に着磁されており、且つ円盤形状の直径に沿った磁極境界線で区分された各半円部分が互いに反対方向に着磁されており、両マグネットは互いに対面する対向面側の磁極が互いに逆になっており、両マグネットの互いに対面しない反対面側にはヨーク板が取り付けられていることを特徴とする。      
【０００８】
好ましくは、各マグネットは、軸方向矩形波着磁用ヨークと円筒形バックヨークとを用いて着磁されたものであって、該軸方向矩形波着磁用ヨークにマグネットをセットし、そのマグネットの上に該円筒形バックヨークの円筒軸を磁極境界線と直交する方向に配置して着磁することによって、マグネットの磁極境界線付近の磁束密度変化をなだらかにし、マグネットを円周方向に回動させた時の角度に対してマグネット平面の磁束密度が正弦波或いは三角波に近い形状に変化させている。また、前記基板は該円盤形状のマグネットの円周方向に９０度離間して配された二個のホール素子を搭載しており、１２０度を超える範囲で該シャフトが回動する角度を検出する。或いは、前記基板は一個のホール素子を搭載しており、１２０度を超えない範囲で該シャフトが回動する角度を検出する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、一対の円盤形状のマグネットの間にホール素子が配置している。各マグネットは、円盤形状の厚み方向に着磁されており、且つ円盤形状の直径に沿った磁極境界線で区分された各半円部分が互いに反対方向に着磁されている。これにより、ホール素子を通過する磁束は従来と異なり基板平面に対して垂直となる。その際、マグネットの磁極境界線付近の磁束密度変化をなだらかにし、マグネットを円周方向に回動させた時の角度に対してマグネット平面の磁束密度が正弦波あるいは三角波に近い形状に変化させている。係る構成により、スラストガタやラジアルガタの影響が少ない磁気式角度検出器を実現できる。又従来よりも小型化することが可能となり、一つのホール素子だけで約１２０度の角度範囲を検出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１（Ａ）は、本発明に係る磁気式で且つ非接触式の角度検出装置を示す模式的な断面図である。図示する様に、本角度検出装置は、基本的にケース１２とシャフト９と一対のマグネット３，７と基板６とで構成されている。ケース１２はほぼ円筒形状を有し、上下両端面が開放されている。シャフト９は一対のメタル軸受１１，１３を介してケース１２に対し回動自在に取り付けられている。本実施形態では、シャフト９が中間部分にフランジ９Ｓを有している。このフランジ９Ｓを境にしてシャフト下部９Ｒがメタル軸受１１，１３によりケース１２に保持されている。フランジ９Ｓから上のシャフト上部９Ｔには、マグネット３，７や基板６その他の部品が取り付けられている。尚、シャフト下部９Ｒはワッシャ１０，１４及びＣリング１５でメタル軸受１１，１３に取り付けられている。一対のマグネット３，７は各々円盤形状を有し、回転軸方向に離間してシャフト上部９Ｔに固定されている。両マグネット３，７の間隔はカラー４により規制されている。基板６は一対のマグネット３，７の間に位置し、ケース１２に保持されている。基板６はその上にホール素子５を搭載している。ホール素子５はホールＩＣの形で基板６に実装してもよい。シャフト上部９Ｔに組み込まれたマグネット３，７は、ケース１２内に収められ、蓋１でカバーされる。係る構成を有する磁気式非接触型の角度検出装置は、シャフト９が回動するとその角度に応じてホール素子５の出力電圧が変化する様になっている。
【００１１】
特徴事項として、各マグネット３，７は、円盤形状の厚み方向に着磁されており、且つ円盤形状の直径に沿った磁極境界線で区分された各半円部分が互いに反対方向に着磁されている。両マグネット３，７は互いに対面する対向面側の磁極が互いに逆になっており、両マグネットの互いに対面しない反対面側にはそれぞれヨーク板２，８が取り付けられている。
【００１２】
（Ｂ）は、各マグネット３，７の着磁方法を表わしている。本実施形態では、各マグネット３，７は、軸方向矩形波着磁用ヨーク１６と円筒型バックヨーク１７とを用いて着磁されている。軸方向矩形波着磁用ヨーク１６にマグネット３，７をセットし、そのマグネット３，７の上に円筒型バックヨーク１７の円筒軸を磁極境界線ＭＤと直交する方向に配置して着磁することによって、マグネット３，７の磁極境界線ＭＤ付近の磁束密度変化をなだらかにし、マグネットを円周方向に回動させた時の角度に対してマグネット平面の磁束密度が正弦波あるいは三角波に近い形状に変化する様になっている。例えば、本実施形態では、外径がφ９．８ｍｍ、内径がφ３ｍｍで厚みが０．８ｍｍのマグネット３，７を（Ｂ）に示す方法で着磁している。すなわち、軸方向矩形波着磁用ヨーク１６を使用し、マグネット３，７を１つセットし、φ１２ｍｍのバックヨーク１７を配置して着磁する。この様な方法で着磁されたマグネット３，７を（Ａ）に示した角度検出装置に組み込む場合、マグネット３，７を着磁した時のバックヨーク側に外径φ９．８ｍｍ、内径φ３ｍｍ、厚さ０．３ｍｍのヨーク板２，８を密着させてシャフト９に固定している。
ここで、軸方向矩形波着磁用ヨークとは、例えば円盤状のマグネットを軸方向（厚み方向）に着磁するためのヨークである。このヨ−クによって着磁されたマグネットを、図８に示すように回転させながらプローブで表面磁束密度を測定してみる。その測定結果が図９の波形図に表されている。マグネットは周方向に沿って表面磁束密度が矩形波形状に分布する様、着磁される。本発明に使うマグネット３，７は、軸方向矩形波着磁用ヨーク１６によって、図９に示すように軸方向矩形波着磁されたものである。
【００１３】
図１（Ａ）に示す様に、一対のマグネット３，７のヨーク板２，８が付いていない面を互いに向き合わせて、カラー４を挟んでシャフト９に固定する。この時、マグネット３とマグネット７の磁極は互いに逆方向となる様にする。以上により、上下のマグネット３，７とヨーク板２，８とで磁気回路が形成され、マグネット３とマグネット７との間に磁界が発生する。マグネット３とマグネット７との間にホール素子５と基板６が配置している。マグネット３，７をシャフト９によって回動させれば、所望のホール出力電圧波形を得ることができる。
【００１４】
マグネット３とマグネット７間の磁力線の向きは、シャフト９の軸方向となる為、ホール素子５は小型で汎用のホールＩＣなど実装部品を使用することができ、安価で小型化が可能になる。又、カラー４の外径からケース１２の内径の間の空間を基板６の面積に割り当てられるので、ホール素子５の信号増幅回路や、定電流回路あるいは定電圧回路を全て２つのマグネット３，７の間の基板６に実装することができる為、小型化が可能になる。更に、マグネット３とマグネット７間の磁力線の向きは、シャフト９の軸方向とほぼ平行で均一に近い状態である為、シャフト９のガタによってマグネットに対しホール素子の相対位置が変動しても、ホール素子が受感する磁束密度の変化は少ない。
【００１５】
図２は、図１に示した角度検出装置から得られるホール出力電圧波形を示すグラフである。グラフから明らかな様に、着磁の条件やヨーク板の厚みによって、正弦波から三角波に近いホール素子出力電圧を形成することができる。ホール素子出力電圧が、シャフト回転角度に対して直線的に変化するのは、３６０度中立ち上がり約１２０度と立ち下がり約１２０度となっている。従って、本構造の磁気式角度検出器は測定可能な検出角度範囲が約１２０度である。本構造によれば、ホール素子１つで検出角が１２０度程度となる。尚、１２０度を超える検出角が必要な場合は、ホール素子を９０度間隔で２つ配置し、９０度の位相差を有する２つの正弦波から角度を検出する方法を採用することができる。着磁条件やヨーク板の形状の更なる最適化により、シャフト回転角に対するホール素子出力電圧の直線性と電気角の範囲を一層改善できる可能性がある。
【００１６】
図３は、シャフト９のガタとホール素子５の位置との関係を示す模式図である。Ｘ方向がラジアルガタの方向を表わし、Ｚ方向がスラストガタの方向を表わしている。Ｙ方向は円周の接線方向である。前述した様に、マグネット３とマグネット７間の磁力線の向きは、シャフト９の軸方向とほぼ平行で均一に近い状態である為、シャフト９のガタによってマグネット７に対しホール素子５の相対位置がＸ方向やＺ方向に微小移動したとしても、ホール素子５が受感する磁束密度の変化は少ない。尚、Ｙ方向の相対位置変化の出力への影響は、ブラシと抵抗体などで構成される接触式角度検出器と同程度であるので、特に問題はない。尚、マグネットを片側のみとする構造も考えられるが、これではマグネットに対してホール素子の相対位置がＸ方向やＺ方向に微小移動した時、ホール素子５が受感する磁束密度の変化が大きくなってしまう。
【００１７】
マグネット７に対してＸ方向やＺ方向に微小移動したとしても、ホール素子５が受感する磁束密度の変化はほとんどないが、厳密に全ての磁力線の向きがシャフト９と平行に形成されている訳ではなく、マグネット表面は磁束密度が不安定である。上下二つのマグネット３，７の真中付近にホール素子５の受感部がある時、マグネットに対してホール素子の位置が上下方向（スラスト方向）あるいは径方向（ラジアル方向）に移動した時の影響が最も少ない。
【００１８】
図４は、マグネットに対するホール素子の相対位置をＺ方向に微小変化させた時の変化率の実測値を表わすグラフである。Ｚ方向の０点はホール素子受感部が上下マグネットの中間に位置する地点を指している。パラメータはマグネットに対するホール素子の相対位置をＸ方向に微小変化させた時のホール素子受感部のシャフト中心からの相対距離とし、７通り取ってある。図４のグラフから明らかな様に、０．２ｍｍ程度のスラストガタに対し、ホール出力の変化率は０．５％以下である。
【００１９】
図５のグラフは図４のグラフと逆で、マグネットに対するホール素子の相対位置をＸ方向に微小変化させた時の変化率の実測値を表わしている。パラメータはＺ方向の相対距離を６通り取ってある。グラフから明らかな様に、ラジアルガタに対しても本角度検出装置は出力変動が少ない。
【００２０】
図６は、図１に示した角度検出装置の分解斜視図である。図示する様に、シャフト９はフランジ９Ｓを境にしてシャフト上部９Ｔとシャフト下部９Ｒに分かれている。シャフト上部９Ｔには図示の各部品が組み込まれる一方、シャフト下部９Ｒは図７に示すケースに組み込まれる。マグネット７は軸方向着磁されており、着磁した時に着磁ヨーク側だった面にヨーク板８が接合している。マグネット３も同様に軸方向着磁されており、着磁した時に着磁ヨーク側だった面にヨーク板２が接合している。マグネット３とマグネット７はヨーク板２とヨーク板８が付いていない面を互いに向き合わせてシャフト上部９Ｔに取り付けられる。マグネット３とマグネット７の回転方向の相対位置関係は、マグネット３とマグネット７の磁極が上下で互いに異なる様に配置している。マグネット３とマグネット７の間にカラー４が装着されている。カラー４の周りにホール素子５が装着された基板６を、カラー４の外周に接しない様に配置してある。基板６はケース１２に取り付けられており、シャフト９が回転してもカラー４やマグネット３，７に接触することがなく、いわゆる非接触構造となっている。ホール素子５の受感部の上下方向の位置は、マグネット３とマグネット７のちょうど真中に配置されている。ケース１２の上端面をカバーする様に、蓋１が取り付けられている。ケースの外周よりも基板６の一部が外側に突出している。基板６の外に突出している部分には、ホール素子５の電気的な入出力を行う端子が形成されている。検出角が１２０度を超えて必要な時、図示の様にホール素子５は回路基板６に２個９０度の間隔をおいて搭載してある。検出角が１２０度を超えない場合、ホール素子５は１つでよい。
【００２１】
図７は、図６に示したシャフト下部９Ｒが挿入されるケース周りの分解斜視図である。ケース１２に一対のメタル軸受１１，１２が装着されている為、シャフト９がケース１２に対して回動可能な構造となっている。シャフト９はＣリング１５によってスラスト方向に脱落しない構造となっている。ワッシャ１０とワッシャ１４でスラストガタを調整している。尚、場合によってはメタル軸受は１つでもよい。又ワッシャ１０とワッシャ１４は省略してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明に係る角度検出装置の縦断面図及び角度検出装置に組み込まれるマグネットの着磁方法を示す模式図である。
【図２】本発明に係る角度検出装置の出力特性を示すグラフである。
【図３】ホール素子とマグネットとの位置関係を表わす模式図である。
【図４】スラストガタに対する出力変動を示すグラフである。
【図５】ラジアルガタに対する出力変動を表わすグラフである。
【図６】本発明に係る角度検出装置の分解斜視図である。
【図７】本発明に係る角度検出装置の分解斜視図である。
【図８】軸方向矩形波着磁を示す模式的な斜視図である。
【図９】軸方向矩形波着磁を示す模式的な波形図である。
【符号の説明】
【００２３】
１・・・蓋、２・・・ヨーク板、３・・・マグネット、４・・・カラー、５・・・ホール素子、６・・・基板、７・・・マグネット、８・・・ヨーク板、９・・・シャフト、１０・・・ワッシャ、１１・・・メタル軸受、１２・・・ケース、１３・・・メタル軸受、１４・・・ワッシャ、１５・・・Ｃリング
【図１】
2005061952.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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